智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 教案 第10章 智能傳感器

《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第10章智能傳感器10.1智能傳感器概述10.2智能圖像傳感器建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.理解智能傳感器的概念、功能、實(shí)現(xiàn)方式2.掌握CCD圖像傳感器的工作原理3.理解CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)4.了解CIS圖像傳感器5.了解圖像傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)1.智能傳感器的概念、功能、實(shí)現(xiàn)方式2.CCD圖像傳感器的工作原理3.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)教學(xué)難點(diǎn)1.CCD圖像傳感器的工作原理2.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長期以來智能測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個(gè)方向：一個(gè)方向是傳感器與微處理器相結(jié)合；另一個(gè)方向是傳感器與人工智能技術(shù)相結(jié)合。『授課內(nèi)容』10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的概念智能傳感器的概念及雛形是美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船的過程中形成的。宇宙飛船需要大量的傳感器檢測(cè)飛船的狀態(tài)（如溫濕度、氣壓、速度、加速度和姿態(tài)等）。人類大腦根據(jù)積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)，如圖10-1所示。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當(dāng)于人類的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)“知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)”與采集的有用數(shù)據(jù)，如圖10-2所示為智能傳感器的結(jié)構(gòu)。10.1.2智能傳感器的功能智能傳感器引入了微處理器進(jìn)行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了具有傳統(tǒng)傳感器的檢測(cè)功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域。10.1.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式智能傳感器也種類繁多，如智能溫度傳感器、智能壓力傳感器、智能流量傳感器等。盡管各種智能傳感器功能各不相同，但是智能傳感器有著相類似的實(shí)現(xiàn)方式，具體分為以下3種實(shí)現(xiàn)方式。模塊化方式集成化方式混合方式10.1.4智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.2智能圖像傳感器10.2.1CCD圖像傳感器1.CCD的工作原理電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。所以CCD的的基本功能是存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷。它存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。CCD工作過程中的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生（將光轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷）、存儲(chǔ)（存儲(chǔ)信號(hào)電荷）、傳輸（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）和檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）。CCD的工作原理如圖10-7所示。2.CCD的分類按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣（Linear）與面陣（Area）兩大類，如圖10-11所示。其中線陣應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面陣主要應(yīng)用于工業(yè)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。1）線陣CCD2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)衡量CCD好壞的指標(biāo)很多，如像素?cái)?shù)、幀率、靶面尺寸、感光度、電子快門和信噪比等。其中，像素?cái)?shù)和靶面尺寸是重要的指標(biāo)。10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成CNOS的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。圖10-15所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇，輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)輸出。2.CMOS的技術(shù)參數(shù)了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的選型非常重要。同樣，相同的芯片經(jīng)過不同的設(shè)計(jì)制造出的相機(jī)，性能也可能有所不同。3.CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的區(qū)別10.2.3CIS圖像傳感器除了CCD和CMOS圖像傳感器外，還有一種常用的圖像傳感器，叫接觸式圖像傳感器（CIS)。CIS圖像傳感器被用在掃描儀中，是將感光單元緊密排列，直接收集被掃描稿件反射的光線信息，由于本身造價(jià)低廉，又不需要透鏡組，所以可以制作出結(jié)構(gòu)更為緊湊的掃描儀，使成本大大降低。但是，由于是接觸式掃描（必須與原稿保持很近的距離）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件。掃描儀外形圖如圖10-17所示。掃描儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10-18所示。10.2.4圖像傳感器的應(yīng)用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機(jī)的應(yīng)用2.CMOS圖像傳感器的應(yīng)用【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的。CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌CD圖像傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出。而在CMOS圖像傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出?！鹤鳂I(yè)布置』P101頁一、填空題1、2、3二、綜合題1、2、3、4『教學(xué)后記』授課章節(jié)第10章智能傳感器10.3智能生物傳感器10.4模糊傳感器10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.6微傳感器建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.掌握生物傳感器和生物芯片2.理解模糊傳感器3.理解多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)4.了解微傳感器教學(xué)重點(diǎn)1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)教學(xué)難點(diǎn)1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』智能生物傳感器、模糊傳感器、微傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)的進(jìn)一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用?！菏谡n內(nèi)容』10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述生物傳感器一般是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜，也就是說生物傳感器是半導(dǎo)體技術(shù)與生物工程技術(shù)的結(jié)合。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中，溶液中被測(cè)定的物質(zhì)，經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的信息可通過相應(yīng)的化學(xué)或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，就可知道被測(cè)物質(zhì)的濃度。1.葡萄糖傳感器2.酶?jìng)鞲衅?.微生物傳感器4.免疫傳感器5.半導(dǎo)體生物傳感器10.3.2生物芯片生物芯片的模樣五花八門，外觀五彩斑斕。有的和計(jì)算機(jī)芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級(jí)圓點(diǎn)或一條條的蛇形細(xì)槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細(xì)的管道和針孔大小的腔體。圖10-26所示為一種生物芯片的外觀結(jié)構(gòu)圖。10.3.3智能生物傳感器1.智能生物傳感器概述近年來，受生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)，智能生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。未來的智能生物傳感器將進(jìn)一步應(yīng)用在醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。2.智能生物傳感器的應(yīng)用智能生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)。智能生物傳感器在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等部門有廣泛的應(yīng)用前景。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動(dòng)植物學(xué)的面貌。1）智能生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用2）智能生物傳感器在環(huán)境測(cè)量中的應(yīng)用3）智能智能生物傳感器在發(fā)酵中的應(yīng)用4）智能生物傳感器在醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域中的應(yīng)用10.4模糊傳感器10.4.1模糊傳感器概述模糊傳感器是在20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的術(shù)語，當(dāng)時(shí)有學(xué)者提出一種超聲模糊傳感器，其描述距離測(cè)量結(jié)果為“遠(yuǎn)”、“近”等自然語言。傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它以定量數(shù)值來描述被測(cè)量的狀態(tài)。10.4.2模糊傳感器的結(jié)構(gòu)模糊傳感器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10-30所示，主要由信號(hào)檢測(cè)與處理單元、數(shù)值／符號(hào)轉(zhuǎn)換10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5.1多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)概述多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)包含多傳感器融合和數(shù)據(jù)融合。多傳感器融合是指多個(gè)基本傳感器空間和時(shí)間上的復(fù)合設(shè)計(jì)和應(yīng)用，常稱多傳感器復(fù)合。多傳感器融合能在極短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和寬容性。10.5.2多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的流程10.6微傳感器10.6.1微傳感器概述微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS)，專指外形輪廓尺寸在毫米級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米至納米級(jí)，可對(duì)聲、光、熱、磁、壓力、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置，是融合了硅微加工、光刻鑄造成形和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)制作的系統(tǒng)。10